化學(xué)中的模型方法和化學(xué)模型
化學(xué)先生 / 2019-08-13
在自然科學(xué)研究中，對(duì)客觀對(duì)象進(jìn)行觀察實(shí)驗(yàn)并對(duì)所獲得的科學(xué)事實(shí)進(jìn)行初步的概括之后，常常要利用想象、抽象、類比等方法，建立一個(gè)適當(dāng)?shù)哪Ｐ蛠矸从澈痛婵陀^對(duì)象，并通過研究這個(gè)模型來揭示客觀對(duì)象的形態(tài)、特征和本質(zhì)。這樣的方法就是模型方法。被反映和代替的客觀對(duì)象稱為模型的原型。
然而，在不同的科學(xué)著作中，模型一詞被賦予不同的含義。例如，有一些學(xué)者把模型當(dāng)作概念、定律、假說、理論或一般的反映等的同義語。據(jù)俄羅斯學(xué)者統(tǒng)計(jì)，模型概念定義已有三十多種。
模型作為原型的反映需滿足下列三個(gè)條件：（1）模型與原型具有相似的關(guān)系，這種相似關(guān)系應(yīng)被明晰地表達(dá)和精確地規(guī)定在模型中；（2）模型在科學(xué)研究過程中是原型的代替者，是研究原型的間接手段；（3）對(duì)模型的研究能夠得到關(guān)于原型的信息。
這三個(gè)條件也就是模型應(yīng)具有的三個(gè)性質(zhì)，三個(gè)性質(zhì)表明了模型這種獨(dú)特的知識(shí)形式和認(rèn)識(shí)方法的主要特征，缺少其中任何一個(gè)就使該系統(tǒng)不成為模型。
模型常表現(xiàn)出一種二重性：一方面它是對(duì)原型的因素、聯(lián)系、結(jié)構(gòu)、功能等加以簡化的結(jié)果，因而在一定程度上特別在細(xì)節(jié)上和原型不一致另一方面它又在本質(zhì)上與原型的因素、聯(lián)系、結(jié)構(gòu)、功能保持一致或相似，因而能代表原型，從模型出發(fā)能夠得到關(guān)于原型的信息，而不會(huì)引中出與原型不一致的結(jié)論來，一種有認(rèn)識(shí)價(jià)值的模型應(yīng)將上述兩個(gè)對(duì)立的方面統(tǒng)一起來。沒有價(jià)值的模型，常常破壞了這兩方面的統(tǒng)一：或者是過分追求與原型在細(xì)節(jié)方面的一致，以致模型太復(fù)雜因而不能發(fā)揮共作為模型的認(rèn)識(shí)功能；或者是過分簡化、以致不能反映原型的本質(zhì)，沒有認(rèn)識(shí)價(jià)值。
模型方法具有許多優(yōu)越的認(rèn)識(shí)功能。第一，模型方法能簡化和理想化地再現(xiàn)原型與研究目的有關(guān)的各種基本因素和基本聯(lián)系，略去次要的、非本質(zhì)的細(xì)節(jié)。第二，模型方法能使研究者充分發(fā)揮想象、抽象和推理能力，將從原型獲得的信息重新加以組合，形成新的圖形的、符號(hào)的或概念的模式，構(gòu)建一個(gè)理想認(rèn)識(shí)工具。這樣就能突破人們感官的界限和時(shí)空的局限性，幫助研究者在思維中把握原型的內(nèi)在機(jī)制再現(xiàn)宏觀水平上、甚至微觀和宇觀水平上的事物的聯(lián)系和運(yùn)動(dòng)。例如，在微觀領(lǐng)城域，人們對(duì)于原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，就是在大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上，通過先后建立湯姆遜“葡萄干布丁”式原子模型、盧瑟福行星式含核原子模型、玻爾舊量子論原子模型以及薛定諤波動(dòng)力學(xué)原子模型等。對(duì)于其他微觀客體認(rèn)識(shí)的發(fā)展，也都離不開建立適當(dāng)?shù)哪Ｐ筒㈦S認(rèn)識(shí)的深化，更新這些模型。第三，模型方法能突破語言要素的限制并避免語言比較抽象，不能使人一下子獲得整體映象的缺點(diǎn)。模型用符號(hào)和圖式，從整體結(jié)構(gòu)上再現(xiàn)原型各要素之間的種種聯(lián)系，從而使創(chuàng)造性思維能具體發(fā)揮作用。例如，當(dāng)代著名化學(xué)家鮑林在研究蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)時(shí)，就曾巧妙地利用折疊紙做的立體模型，充分發(fā)揮想象力，突破語言的限制，形象地表現(xiàn)出蛋白質(zhì)分子的立體結(jié)構(gòu)，從而取得了成功部像這樣利用模型，抓住原型的基本結(jié)構(gòu)問題，進(jìn)行深入研究而成功的事例，在科學(xué)史上是屢見不鮮的。”
模型方法有一定的局限性。首先，模型畢竟不是現(xiàn)實(shí)的原型，它與原型間存在著差異。因此將由模型得來的信息處理后所得結(jié)果，外推到原型時(shí)，要充分注意原型的各種復(fù)雜條件和因素，不能機(jī)械地照搬。其次，任何模型的應(yīng)用，都不能代替嚴(yán)格的邏輯推理，更不能代替科學(xué)實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)和判定。
容中隨著科學(xué)模型種類的增多，需要對(duì)模型進(jìn)行分類。根據(jù)模型的定義，顯然可按以下兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之一對(duì)模型分類：（1）按照模型代表、反映原型的方式：（2）按照模型與原型相似的程度和特點(diǎn)。當(dāng)然，根據(jù)需要還可按照其他標(biāo)準(zhǔn)對(duì)模型進(jìn)行分類。
按照模型反映和代表原型的方式，模型可分為物質(zhì)模型和思想模型兩大類。所有人工制造用作模型或直接利用天然物作為樣本的物質(zhì)系統(tǒng)，都是物質(zhì)模型。例如，飛機(jī)、船舶、水壩等的工程模型；用于模擬實(shí)驗(yàn)用的各種實(shí)物模型；用于教學(xué)和展示的太陽系模型、分子和晶體結(jié)構(gòu)彩色球模型等，都是物質(zhì)模型。物質(zhì)模型是原型的物質(zhì)類似物，它們的性質(zhì)、變化過程及其與原型的相似關(guān)系，都是不依賴于人的意識(shí)而獨(dú)立地存在的。主體的作用只在于根據(jù)與原型的某種相似關(guān)系（物理的、數(shù)學(xué)的、功能的），設(shè)計(jì)、制造或選擇適當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)模型，并對(duì)物質(zhì)模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，以代替對(duì)原型的直接研究。物質(zhì)模型最重要的作用是作為模擬實(shí)驗(yàn)的工具。
物質(zhì)模型和思想模型有一定的聯(lián)系。人們?cè)谥谱魅魏我粋€(gè)物質(zhì)模型之前，首先要在頭腦中對(duì)它進(jìn)行想象、論證并作出計(jì)算和設(shè)計(jì)，也就是先要構(gòu)建一個(gè)相應(yīng)的思想模型。
思想模型的特點(diǎn)在于，它是以思想映象的形式由研究者在思維中形成的，存在于研究者的頭腦中，并由研究者進(jìn)行著思想的操作、變革和思想實(shí)驗(yàn)。思想模型執(zhí)行著作為思維表象的認(rèn)識(shí)論功能。
自19世紀(jì)初到頓建立化學(xué)原子論和阿伏伽德羅提出的分子學(xué)以后嗯一樣??！逐步形成的關(guān)于物質(zhì)構(gòu)造的。那關(guān)于物質(zhì)構(gòu)造的原子一一分子一一宏觀物體三個(gè)層次的觀念?；瘜W(xué)研究的主要對(duì)象是分子，以及分子的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和相互轉(zhuǎn)化。由于人們一般不能“直接”看到分子，必須利用一定的思想模型來把握分子的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化規(guī)律。所以化學(xué)中最重要的思想模型是分子模型和反應(yīng)過程模型?；瘜W(xué)中的其他思想模型，如官能團(tuán)模型、化學(xué)鍵模型、反應(yīng)速率理論模型、溶液模型等，都屬于兩類基本化學(xué)模型，且是更專門化的模型。
化學(xué)中的理想模型也是一種思想模型，它們是以理想化的形態(tài)再現(xiàn)原型的某些本質(zhì)特征的思想模型。
從認(rèn)識(shí)論的角度來考慮，設(shè)計(jì)和建立思想模型就是要從事物復(fù)雜紛繁的聯(lián)系中，提取出對(duì)解決所研究的問題有意義的內(nèi)容。在科學(xué)認(rèn)識(shí)中，建立和運(yùn)用思想模型的必要性取決于許多實(shí)際原因。其中，首要的原因是現(xiàn)實(shí)客體的復(fù)雜性。為了在思想上使客體本質(zhì)的、規(guī)律性的聯(lián)系能充分?jǐn)[脫掉非本質(zhì)的、偶然的和次要的因素，以“純粹”的形式呈現(xiàn)出來，要采用各種抽象化的方法，如簡化和理想化，來建立各種思想模型。這些模型同時(shí)滿足簡化、理想化、反映和代替所研究的復(fù)雜客體的功能在形成概念、建立理論的過程中運(yùn)用思想模型，其作用在于探索和預(yù)言，其探索和預(yù)言若被實(shí)驗(yàn)或觀測(cè)證實(shí)，則證明思想模型的成功。
科學(xué)理論反映現(xiàn)實(shí)客體時(shí)，某些理論論斷，僅在相應(yīng)的思想模型中才得到嚴(yán)格精確的實(shí)現(xiàn)，只有模型的要素和屬性才準(zhǔn)確地與理論概念符合部例如，牛頓力學(xué)中的質(zhì)點(diǎn)或慣性系的概念表征的是模型，而不是現(xiàn)實(shí)存在的物體；理想氣體狀態(tài)方程只能準(zhǔn)確地適用于理想氣體模型?；瘜W(xué)的規(guī)律和理論一般也只有對(duì)于相應(yīng)的思想模型才嚴(yán)格適用。但是，模型能夠在某種近似的程度上反映現(xiàn)實(shí)的客體，與它們處于類似的關(guān)系中。因此，思想模型是理論論斷與現(xiàn)實(shí)客體之間的必要的中間環(huán)節(jié)在溝通自然現(xiàn)象及其本質(zhì)的認(rèn)識(shí)過程中，起著重要的中介和橋梁作用。
有些科學(xué)概念（如電磁場、原子軌道等）與思想模型很接近，這些概念反映的客體不能直接在現(xiàn)實(shí)中觀察到，但可以通過復(fù)雜的中介儀器和邏輯推理去把握它們。然而，思想模型與這些科學(xué)概念不同，模型是對(duì)實(shí)在客體的理論反映，是在某種程度上理想化了的準(zhǔn)客體，在模型中相應(yīng)的各種理論論斷都能滿足。
還有一類特殊的模型是數(shù)學(xué)模型，其在科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用十分廣泛。在科學(xué)研究中，常常要把客觀事物的某些聯(lián)系或性質(zhì)轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)語言，客觀事物的聯(lián)系和性質(zhì)的數(shù)學(xué)表示，就是數(shù)學(xué)模型。例如，牛頓第二定律的數(shù)學(xué)式F=ma，理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT，分子或晶體結(jié)構(gòu)的幾何模型等；都是數(shù)學(xué)模型。由于數(shù)學(xué)模型具有高度抽象性，一般都將它歸屬于思想模型一類。但是，由于一切客觀系統(tǒng)都可以從量的角度來考察，因此數(shù)學(xué)模型也可滲透到物質(zhì)模型之中，反映原型的量的關(guān)系。
建立思想模型需要具備相互聯(lián)系的三方面的條件：（1）必須以精確的實(shí)驗(yàn)和豐富的觀測(cè)材料為依據(jù)；（2）需要充分發(fā)揮想象力的創(chuàng)造作用；（3）需要在明確的科學(xué)理論指導(dǎo)下，應(yīng)用各種邏輯思維方法。
觀察和實(shí)驗(yàn)在建立思想模型中有重要作用，這一點(diǎn)可以以1909年盧瑟福建立含核原子模型為例來說明。當(dāng)時(shí)，新的觀測(cè)事實(shí)與舊模型之間發(fā)生了尖銳的矛盾。在觀察中，陰極射線和不同性質(zhì)的放射線（a、β和γ射線）的發(fā)現(xiàn)，宣告舊的道爾頓原子模型的破產(chǎn)；1906年α粒子散射實(shí)驗(yàn)，表明原子中心聚集有巨大的質(zhì)量，這又與舊的湯姆遜原子模型發(fā)生了尖銳的矛盾。所以新模型是以放射性、電子和a粒子的大量實(shí)驗(yàn)材料觀測(cè)和收集為依據(jù)的。在充分的觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，1909年盧瑟福、蓋革（H. Geiger，1882~1945）和馬斯登（E. Marsden，1889~1970）又設(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)，用α粒子流作用于金屬箔片，產(chǎn)生大角度散射，這些實(shí)驗(yàn)成果，使盧瑟福得以最終建立并完善了他的原子模型。顯然，任何思想模型的建立，都必須以對(duì)原型的實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)所得事實(shí)材料為依據(jù)。模型必須接受實(shí)踐的反復(fù)檢驗(yàn)。對(duì)于同一原型，人們可以采取不同的方法，制造各種不同的模型，然后通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行篩選、修改和確定一個(gè)較好的模型 。
在模型的設(shè)計(jì)與構(gòu)思上，豐富的想象有重要作用。模型是客觀實(shí)際中并不存在的事物，人們能夠想象出從未感知或?qū)嶋H不存在的事物的形象。模型能幫助我們舍去原型的大量次要的細(xì)節(jié)，而想象就包含著一種篩選的過程。模型是對(duì)原型的重建或重組，而想象就是在感性知覺的基礎(chǔ)上，將記憶中的信息重新加工組合，創(chuàng)造出新映象的心理過程。控制論的創(chuàng)始人維納（N. Wiener，1894~-1964）說過：“有了強(qiáng)烈的創(chuàng)造欲，你就可用自己手里擁有的材料進(jìn)行創(chuàng)造。我發(fā)覺對(duì)我特別有用的好條件是廣泛和持久的記憶力，是一系列奔放流暢、萬花筒似的想象力；這種想象力的本身，使我或多或少在遇到相當(dāng)復(fù)雜而費(fèi)腦子的情況下，能看出其中一系列的各種可能的組合關(guān)系。”這說明，想象能使我們?cè)趽碛胸S富的實(shí)驗(yàn)材料的基礎(chǔ)上，設(shè)想這些材料的各種可能的組合關(guān)系。因此，想象力的發(fā)揮在思想模型的建立和運(yùn)用中起著十分重要的作用。有些心理學(xué)家，按照想象內(nèi)容的創(chuàng)造性的高低，把想象分為再造性想象和創(chuàng)造性想象兩種。再造性想象是根據(jù)語言的描述或非語言的示意在大腦中再創(chuàng)出新映象；創(chuàng)造性想象則不依靠現(xiàn)成的描述和形象，而根據(jù)一定的目的將自己的表象重新結(jié)合，在大腦中構(gòu)成新映象后者在建立思想模型中所起的作用更大1865年凱庫勒提出苯分子單雙鍵交的環(huán)狀結(jié)構(gòu)模型，就是運(yùn)用創(chuàng)造性想象建立思想模型的實(shí)例。當(dāng)然，在建立思想模型時(shí)，想象必須以精確的實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)為基礎(chǔ)，必須建立在經(jīng)驗(yàn)材料和記憶的表象的基礎(chǔ)上，否則它將成為空洞的幻想，科學(xué)最重求實(shí)，完全脫離現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)的幻聽、幻視幻想、冥思都無助于科學(xué)模型的建立。離開科學(xué)實(shí)驗(yàn)和科學(xué)精神的想象，會(huì)成為人說夢(mèng)的胡思亂想，其思維效益等于或小于零。
設(shè)計(jì)和建立思想模型，不僅要有大量精的實(shí)驗(yàn)材料和事富年放的想象力作為前提，而且也需要用已知的科學(xué)原理和明確的理論觀點(diǎn)為指導(dǎo)，同時(shí)，離不開乏怎維方法的應(yīng)用。盧瑟福提出他的原子結(jié)構(gòu)模型，就是在“原子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)”這個(gè)明確的科學(xué)觀念指導(dǎo)下進(jìn)行的，面這個(gè)觀念的產(chǎn)生是以已知的關(guān)于元素周期律，放射性電子的背景知識(shí)和電磁理論為依據(jù)的，思想模型在理論與客觀原型之間充當(dāng)中介因此，一方面可以從原型出發(fā)，將原型簡化為模型，從面為假說，理論提供一定程度的證明另一方面，可以從理論出發(fā)，把理論概念整合為模型，從而為型提供解模型方法的邏特征是設(shè)法在假說、理論與模型之間以及模型與原型之倒盡可能建立起完備的邏輛聯(lián)系。為此，需要在分析和綜合的基磁上近當(dāng)?shù)剡\(yùn)用比牧和至比歸納與猜測(cè)，演與陰因等各種邏輯方法。例如，為了從觀察材料出發(fā)深索其內(nèi)在機(jī)制，可以首先對(duì)材料進(jìn)行歸納，提出一定的假設(shè)，然后從假?zèng)]出發(fā)須華出某些論，以這些推論為基礎(chǔ)通過因，來探索現(xiàn)象的內(nèi)在機(jī)制，并發(fā)揮想象力，提出相應(yīng)的思想模型，所得模型再與實(shí)驗(yàn)事實(shí)反復(fù)比較，從而發(fā)現(xiàn)模型的錯(cuò)，進(jìn)一步修改調(diào)整，充實(shí)模型。經(jīng)這樣反復(fù)多次，就可以建立起一個(gè)臺(tái)理的模型。
愛因斯組曾提出，人與其他高等動(dòng)物“最顯著的差別在于，人的括動(dòng)中起著重多作用的是比較強(qiáng)的想象力和思維的能力，以及助這些能力的語和其他符號(hào)工具”。科學(xué)工作者以豐富的經(jīng)驗(yàn)材料為基礎(chǔ)，憑借想象力和思維能力的發(fā)揮，利用言和其他符號(hào)工具，能建立起各種有重要科研作用的思想模型。
思想模型作為人類認(rèn)識(shí)成果的一部分，必須在實(shí)踐中經(jīng)受檢驗(yàn)，并在實(shí)酸中發(fā)展?？茖W(xué)理論是伴隨著相應(yīng)的思想模型的發(fā)腰面發(fā)的。思想模型的發(fā)展大體有以下三種形式（1）原有的模型與新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)發(fā)生矛盾，舊模型新模型所代裝這些新模型既能解釋原有的觀材料，又能解釋日模型不能解釋的事實(shí)，還能解釋和預(yù)測(cè)新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，所以是更完善更合理的模型。（2）使過于筒化的模型詳化。例如，由主要反分子無序運(yùn)動(dòng)的理想氣體模型，過渡到同時(shí)也考慮分子之間相互作用力的范德瓦爾斯氣體模型等，就是通過更加詳細(xì)的模型而使知識(shí)具體化的。（3）建立補(bǔ)充模型。當(dāng)一個(gè)模型不能詳盡地說明原型的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和行為時(shí)，就需要建立補(bǔ)充模型，例如，在量子力學(xué)中，電子的波模型和粒子模型是互補(bǔ)模型在原子核物理中，原子核結(jié)構(gòu)有液滴模型、殼層模型和其他核模型等，都是互相補(bǔ)充的模型。
按照思想模型與原型相似的程度和直觀性的大小、還可把思想模型分為以下四類：形象模型、符號(hào)模型、形象符號(hào)混合模型、數(shù)學(xué)模型等。
形象模型的特點(diǎn)是以一定的形象或圖像反映原型的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和機(jī)制。反映原型結(jié)構(gòu)的形象模型不僅從整體上看與原型有一定的相似關(guān)系，而且構(gòu)成模型這一觀念系統(tǒng)的元素與構(gòu)成原型這一物質(zhì)系統(tǒng)的相應(yīng)的元素也有某種相似關(guān)系，模型好像是原型的簡化的圖畫。例如，物理學(xué)中的氣體模型（把氣體分子想象為彈性球），原子的行星式結(jié)構(gòu)模型等；化學(xué)中的氫原子軌道角度分布圖，各種化學(xué)鍵模型，反映品晶體結(jié)構(gòu)的粒子空間分布模型，液體和溶液的結(jié)構(gòu)模型等。反映原型的性質(zhì)和機(jī)制的形象模型也常?？赏ㄟ^一定的圖像間接地加以反映，如用幾何圖形或解析幾何中的坐標(biāo)系和曲線、曲面來表示。這些圖像可稱為圖像模型，它們實(shí)際上是用幾何形式表示的數(shù)學(xué)模型。
符號(hào)模型的特點(diǎn)是用專門的符號(hào)來表示原型的元素及其相互關(guān)系。如果說人是符號(hào)動(dòng)物、科學(xué)家則是符號(hào)動(dòng)物中最杰出的代表，他們可以用符號(hào)表達(dá)原型，操作原型。因此，符號(hào)模型的元素與原型的元素不具有相似性，符號(hào)的選擇不是以相似性為前提，而取決于使用的方便，而且是約定俗成的。只有對(duì)于了解符號(hào)含義的人，符號(hào)模型才有用處。例如，以化學(xué)符號(hào)系統(tǒng)表示的各種模型（如分子式、結(jié)構(gòu)式、化學(xué)方程式等）就是符號(hào)模型的典型例子。雖然符號(hào)模型的元素與原型的元素沒有相似性，但符號(hào)模型與原型之間仍存在相似性，這是由于建立符號(hào)模型時(shí)要以符號(hào)在一維、二維或三維空間的有序分布反映、再現(xiàn)原型的相應(yīng)元素的有序分布。所以符號(hào)模型與原型之間仍存在著相似性，否則它們就不成其為模型了。
在形象符號(hào)混合模型中，原型的有些元素用直觀的形象表示，而另一些元素則用專門的符號(hào)表示。在結(jié)構(gòu)化學(xué)中有時(shí)要應(yīng)用這一類模型。在理論化學(xué)中，數(shù)學(xué)模型有著特別重大的意義。
化學(xué)中的思想模型根據(jù)其思想內(nèi)容還可分為化學(xué)靜態(tài)模型和化學(xué)動(dòng)態(tài)模型兩類。此外，由于化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)既涉及微觀客體，又涉及由大量原子、分子組成的宏觀客體，相應(yīng)地化學(xué)模型可以分為微觀模型和宏觀模型，以及反映宏觀系統(tǒng)微觀結(jié)構(gòu)的宏觀一微觀模型?；瘜W(xué)模型的以上分類，并不能完全包括一切重要的化學(xué)方面，因?yàn)樵诨瘜W(xué)的其他分支學(xué)科中還有其他種類的模型。例如，在有機(jī)化學(xué)中還有各種官能團(tuán)模型和效應(yīng)模型，如誘導(dǎo)效成、空間效應(yīng)的模型等。
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